推进式堵水开关静动态特性分析

2012年12月 第40卷第23期 机床与液压 0012 0 3 03969j0013881201223013 推进式堵水开关静动态特性分析 张俊亮，韩进，张强德，曹海燕，李丽云 (中原油田采油工程技术研究院，河南濮阳457001) 摘要：推进式堵水开关是一种井下智能堵水工具。开关在打开和关闭状态下，活塞轴向受力平衡，在打开和关闭瞬 间，因地层和油套环空压差造成活塞受轴向冲击。分析了活塞开、关时的液压冲击力，并结合况进行仿真，结果表明：增加活塞环空长度、降低电机转速、增加螺杆轴向限位轴肩等可减小瞬态液动力对开关的活塞 产生的轴向冲击。为堵水开关结构优化提供设计了依据。 关键词：堵水开关；静动态分析；冲击；仿真 中图分类号：献标识码：A 文章编号：10013881(2012)230513 I 5700 1，is a of in n of or of n of of of to he at or of to he of to by on of be t of 进式堵水开关是用于高含水油井堵水作业的井 下工具，与封隔器等配套使用，每个油层对应一个开 关，主要功能是关闭高含水层，打开低含水层，以实 现提高采收率的目的。推进式堵水开关克服以往机械 式堵水开关受地层压差影响的弊端，在打开和关闭状 态下实现轴向压力平衡，但在开一关或关一开瞬间， 因地层压力与套压不同而产生瞬态液动力” 。瞬态 液动力对开关的活塞产生轴向冲击，影响开关的打开 或关闭，严重时可能破坏开关的机械结构。因此通过 分析开关静动态特性，以确定合理机械结构，确保推 进式堵水开关可靠工作。 1 推进式堵水开关结构 推进式堵水开关结构如图1所示，主要由上接头、 传感器、控制电路、驱动电机、驱动螺杆、外套筒、 活塞、活塞套、下接头等组成，电机安装在活塞套上 端部，驱动螺杆一端与电机轴配合，另一端通过螺纹 与活塞连接。传感器接收井口环空压力脉冲信号，控 制电路根据信号情况控制驱动电机正反转，电机通过 驱动螺杆将转动变为活塞的上下移动。电机正转推动 活塞下行至下限位置打开该地层，电机反转推动活塞 上行至活塞上限位置关闭该地层。推进式堵水开关采 用侧进液模式，活塞装有密封圈，阻止液体流入活塞 底部或顶部空间，使液体仅在活塞环形空间内流动， 图1为开关处于打开状态，进液口与出液口连通。 1一电池2一控制电路3_传感器4一驱动电机活塞套6一螺杆7一出液口8活塞9一进液口1稿日期：20111116 基金项目：中原石油勘探局资助项目(2011202) 作者简介：张俊亮(1976一)，男，工程师，中原油田博士后工作站在站博士后，从事井下工具的研究工作。12652 机床与液压 第40卷 2推进式堵水开关静动态特性分析 21 推进式堵水开关静态特性分析 堵水开关在打开状态时轴向受力如图2所示，地 层油水混合液流经进液口一活塞环空一出液口至油套 环空，通过采油泵抽至地面管线。在此状态下，因地 层压力，活塞轴向受力情况为： Fl 2=中：F，为向上的轴向推力； 为向下的轴向推力； P 为地层液体压力； A 为环空截面积1； A，为环空截面积2。 设计中，环空截面积1与环空截面积2相等，故 F =塞轴向受力平衡。 出液口 进液口 出液口 进液口 图2推进式堵水开关打开时轴向受力图 推进式堵水开关关闭时，进液口关闭，出液口与 活塞环空连通，如图3所示。 出液1：3 进液口 图3推进式堵水开关关闭时轴向受力图 此时，活塞受轴向压力源自油套环空压力，活塞 2。21 开关瞬间液体冲击力分析 轴向受力情况为： 根据推进式堵水开关活塞结构，将其简化为一滑 F。=P：A 阀开关，文献4已分析并得出结论：阀体关闭 2中： 为向上的轴向推力； 为向下的轴向推力； P 为油套环空压力； A 为环空截面积1； A 为环空截面积2。 因A。=A ，故活塞轴向受力平衡。 因此，推进式堵水开关在打开或关闭状态时，轴 向受力平衡，未产生向上或向下的轴向推力，保护电 机轴不受持续的轴向压力。 22推进式堵水开关动态特性分析 尽管推进式堵水开关在静态时活塞轴向受力平 衡，但在打开或关闭瞬间，液体对活塞产生轴向冲 击，造成瞬间轴向力的不平衡，影响电机对活塞的驱 动，若冲击力过大则影响整个工具的使用效果。 时，液体冲击与关闭速度和进出口压差成正比。因此 仅对堵水开关打